FIR(有限脈沖響應)濾波器是一種有限長度單位脈沖響應濾波器,也稱為非遞歸濾波器,是數字信號處理系統中最基本的元件。它可以保證任意幅頻特性,同時具有嚴格的線性相頻特性,其單位采樣響應是有限的,因此濾波器是一個穩定的系統。
I 什么是遠紅外濾波器?
FIR(有限脈沖響應)濾波器是一種有限長度單位脈沖響應濾波器,也稱為非遞歸濾波器,是數字信號處理系統中最基本的元件。它可以保證任意幅頻特性,同時具有嚴格的線性相頻特性,其單位采樣響應是有限的,因此濾波器是一個穩定的系統。因此,FIR濾波器廣泛應用于通信、圖像處理、模式識別等領域。
二、工作原理
在進入FIR濾波器之前,必須先通過A/D器件將信號轉換為8位數字信號。通常,可以使用更高速的逐次逼近型A/D轉換器(SAR ADC)。
無論采用乘法累加法還是分布式算法來設計FIR濾波器,濾波器輸出的數據都是一系列序列。為了使它直觀地反映,它需要進行數模轉換。因此,由FPGA組成的FIR濾波器的輸出必須連接到D/A模塊。
FPGA具有規則的內部邏輯陣列和豐富的布線資源,特別適用于數字信號處理。與以串行操作為主的通用DSP芯片相比,它具有更好的并行性和可擴展性。使用FPGA進行乘法和累加的快速算法可以幫助我們設計高速FIR數字濾波器。
三、遠紅外濾波器實現
FIR 濾波器的硬件實現方式有以下幾種:
1. 集成電路
它是采用單片機通用數字濾波器集成電路。該電路使用簡單,但由于字長和順序規格少,不容易完全滿足實際需要。雖然可以使用多芯片擴展來滿足要求,但它會增加體積和功耗,因此在實際應用中受到限制。
2. 數字信號處理器芯片
DSP芯片具有可調用的專用數字信號處理功能,也可以根據芯片指令集的結構,有自己的代碼來實現FIR功能。
由于FIR設計的系數計算和量化復雜,一般采用MATLAB軟件作為輔助設計。然后我們可以計算FIR的系數并設計和實現代碼。
實現FIR濾波器相對簡單,但因為程序是按順序執行的,速度有限。而且,即使是同一家公司不同系統的DSP芯片,編程指令也不同,因此開發周期較長。
3. 可編程 FPGA/CPLD
還有一個可編程邏輯器件FPGA/CPLD。FPGA 具有常規的內部邏輯塊陣列和豐富的布線資源。它特別適用于實現具有細晶和高平行結構的FIR濾波器。與以串行操作為主的通用DSP芯片相比,具有更好的并行性和可擴展性
四、遠紅外線 類型
有限脈沖響應(FIR)濾波器具有以下特性:
系統功能:
●z平面上分布有N-1個零點,其中z=0為N-1階極點。
●在有限數量的n個值下,系統的單位脈沖響應h(n)不為零
●系統函數H(z)收斂于|z|》0,所有極點在z=0(因果系統)
●從輸出到輸入無反饋,一般為非遞歸結構
1. 橫向類型
差分方程:
圖1.遠紅外濾波器橫向結構
圖2.橫向轉置結構
2. 級聯類型
將 H(z) 分解為實系數二階因子的乘積形式:
圖3.FIR濾波器級聯結構(N為奇數)
當 N 是偶數時,其中
之一(N-1 個零)
級聯式特點:
●每個基本部分控制一對零點,方便控制濾波器的傳輸零點。
●需要更多的乘法運算。
3. 頻率采樣類型
N 頻率樣本 H(k) 的插值公式恢復 H(z):
K=0.1.。.N-1
Frequency response:
Figure 4. Comb Filter Structure and Frequency Response Amplitude
Subsystem:
There is a pole on the unit circle:
Which offset with the kth zero, making the frequency response at this frequency
equal to H(k)。
圖5. FIR濾波器頻率采樣類型結構
優點和D是F頻率 S放大S結構的優點
●調節H(k)可有效調節頻響特性。
●如果h(n)的長度相同,則除各分支的增益H(k)外,網絡結構完全相同,便于標準化和模塊化。
●有限字長效應可能導致極點和零點不能完全偏移,導致系統不穩定。
●濾波系數多為復數,增加了復數乘法和存儲量。
五 IIR和FIR之間的區別
1.兩個濾波器都是數字濾波器。根據脈沖響應的差異,數字濾波器分為有限脈沖響應(FIR)濾波器和無限脈沖響應(IIR)濾波器。
對于FIR濾波器,脈沖響應在有限時間內衰減到零,其輸出僅取決于當前和過去的輸入信號值。對于IIR濾波器,脈沖響應理論上應該無限期地持續,其輸出不僅取決于當前和過去的輸入信號值,還取決于過去的信號輸出值。
2. 遠紅外的脈沖響應有限。與IIR濾波器相比,FIR濾波器具有線性相位,易于設計。另一方面,為了設計具有相同參數的濾波器,FIR需要比IIR更多的參數,因此增加了DSP計算量。DSP需要更多的計算時間,這對DSP的實時性能有影響。
3.在性能方面,IIR濾波器的傳遞函數包括兩組可調系數:零點和極點,對極點的唯一限制是在單位圓圈內。因此,可以使用較低的階數來獲得高選擇性,這需要少量的存儲單元和計算,并且具有很高的效率。但這種高效率是以相位非線性為代價的。選擇性越好,相位非線性越嚴重。
FIR濾波器傳遞函數的極點固定在原點,不能移動。它只能通過改變零位置來改變其性能。因此,為了實現高選擇性,必須使用更高的階數。對于相同的濾波器設計指標,FIR濾波器的要求階數可能比IIR濾波器高5-10倍。結果成本較高,延遲也比較大。如果需要線性相位,IIR濾波器必須增加一個全通網絡進行相位校正,這也大大增加了濾波器的階數和復雜性。FIR濾波器可以獲得嚴格的線性相位。
圖6.FIR 和 IIR 濾波器框圖
4.從結構上看,IIR濾波器必須采用遞歸結構來配置極點,并確保極點在單位圓內。由于字長有限的影響,系數在計算過程中會四舍五入,導致極移。這種情況有時會導致穩定性問題,甚至寄生振蕩。
相反,只要FIR濾波器采用非遞歸結構,在理論上或實際的有限精度計算中都不存在穩定性問題,因此頻率特性誤差也很小。此外,FIR濾波器可以使用快速傅里葉變換算法,在相同的階數下計算速度可以快得多。
此外,還應注意的是,IIR濾波器雖然設計簡單,但主要用于設計具有分段恒定特性的濾波器,如低通、高通、帶通和帶阻,這些特性往往離不開模擬濾波器模式。FIR濾波器更加靈活,特別容易適應一些特殊應用,如形成數字微分器或希爾伯特轉換器等,因此具有更大的適應性和廣泛的應用領域。
從上面的簡單對比可以看出,IIR和FIR濾波器各有長處,因此在實際應用中應從各種考慮中挑選它們。
IIR更適合于對相位要求不敏感的場合,例如語言交流,這樣可以充分發揮其高性價比的特點。而對于圖像信號處理,在數據傳輸和其他以波形形式傳輸信息的系統中,對線性相位的要求更高。如果可能,最好使用 FIR 濾波器。當然,在實際應用中可能還需要考慮更多的因素。
無論IIR和FIR,階數越高,信號延遲越大。同時,在IIR濾波器中,階數越高,對系數的精度要求越高,否則容易造成有限字長誤差將極點移出單位圓。因此,我們應該綜合考慮順序的選擇。
VI 遠紅外濾波器應用
隨著個人音頻的發展,以前IIR濾波器處理音頻造成的音質惡化越來越被市場所拒絕。雖然原來的IIR簡單方便,計算量小,但其精度還不夠。因此,在專業音頻中,許多人使用FIR 4096的音頻算法,例如拉脫維亞的Coneq等。
外冷花紅外過濾器
為了彌補低分辨率下FIR的低頻處理不佳,一些音頻算法使用相反的WFIR濾波器。與FIR相反,WFIR可以更好地處理低頻,但可以”t 在高頻下工作。并且每個工作點的計算量達到FIR的6倍。
圖7.音頻遠紅外濾波
遠紅外線音頻濾波器的優點
FIR的優點是精度可以無限增加(在有足夠的計算能力的前提下),IIR濾波器不存在相位精度問題,是一種比較高端的解決方案。
遠紅外音頻濾波器的缺點
1.由于采用高精度,計算資源的使用,內存和功耗較高;
2、遠紅外主要解決其他領域的高頻問題。在音頻應用中,經常會出現低于1Khz的信號,至少FIR 512可以產生低于1K的效果。
3. 過度計算。由于FIR每個處理單元的寬度無法調整,因此當我們解決低頻問題時,高頻將被過度計算。
新解決方案
FIR和IIR的混合使用,以及新開發的音頻VIR濾波器。
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